CN105044730B - 瑞利散射海洋激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种基于瑞利散射的海洋激光雷达的设计方法和装置。该方法通过测量水体的瑞利散射信号来探测水中的物体，该方法包括探测水中物体的有无以及位置大小。该方法通过改变成像系统的延迟和门宽判断物体的位置。其装置主要包括脉冲激光器、发射透镜组、成像大镜头和ICCD。

Description

瑞利散射海洋激光雷达系统
技术领域
本发明属于海洋激光雷达领域，具体涉及通过测量水体的瑞利散射信号来探测水中物体的方法和装置。
背景技术
激光雷达是用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备，是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式，由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波两种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为直接反射、米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。
在海洋激光雷达领域，目前主要的有两种技术：大功率面光源直接成像技术和高重复频率脉冲激光扫描探测技术，各自都有商用产品被开发出来。然而这种激光雷达都是基于对目标的反射、散射信号直接测量，如果被测目标本身反射率很低，这类方法都将失效。刘大禾、石锦卫等人先后提出了用海水的布里渊散射信号的有无来探测目标的存在，不再依赖于目标自身的反射，从原理上突破了目标反射率低的问题。然而无论是自发布里渊散射还是受激布里渊散射，其散射截面都比较低；自发信号不但弱，距离分辨率还很差，受激散射信号在泵浦光强较强时信号还可以，但随着距离增加信号变得非常不稳定，虚警率增加。
发明内容
本发明目的是提供一种基于瑞利散射的海洋激光雷达的设计方法和装置。该方法通过测量水体的瑞利散射信号来探测水中的物体，该方法包括探测水中物体的有无以及位置大小。通过探测水体的瑞利散射回波信号，并对散射信号进行成像，通过水体的瑞利散射信号的变化来判断水中是否存在物体。当探测到的瑞利散射信号突然变得很微弱时，说明探测水域存在物体；当探测到的瑞利散射信号符合水体正常衰减规律，说明探测水域不存在物体。通过改变成像系统的延迟和门宽判断物体的位置。
本发明所述的瑞利散射海洋激光雷达设计装置包括脉冲激光器、发射装置、收集装置、望远镜系统、数字延迟器和ICCD。
本发明解决的技术问题方案是：532nm激光器发射激光信号，输出的激光经过发射装置准直扩束后会聚得到会聚光，入射到待探测水域，通过收集采集反射瑞利散射回波信号，最后通过望远镜系统和ICCD对得到的散射信号成像。
本发明的特点在于：一、该方法通过测量水体的瑞利散射信号来探测水中的物体，通过收集到的瑞利散射回波信号来判断水中是否存在物体，由于水体本身的瑞利散射信号受环境干扰小，探测所得到的瑞利散射信号能够很好地判断水中是否存在物体，与目标自身的反射率无关，具有信噪比大的特点。二、该方法通过数字延迟器改变成像系统的延迟和门宽来判断物体的位置。
附图说明
图1：瑞利散射海洋激光雷达的装置原理图
图2：12m处的水体的瑞利散射信号；
图3：12m处放上物体后获得的物体表面反射的瑞利散射信号；
图4：11.4m处放上物体后获得的瑞利散射信号。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的详细实施例作，但本实施例并不限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种基于瑞利散射的海洋激光雷达的装置包括脉冲激光器、发散透镜组、收集信号反射镜，成像望远镜、数字延迟器和ICCD，其中凹透镜和球面镜组成发射装置，凹透镜和球面镜之间距离可调。
脉冲激光器(1)发射532nm脉冲激光入射到平凹透镜(2)输出发散信号，发散信号经由球面镜(3)反射得到会聚光束，会聚光束入射到探测水域(4)，由探测水域反射回的瑞利散射回波信号通过反射镜(5)收集，由成像望远镜(6)会聚到ICCD(7)成像，通过控制数字延迟器的延时、门宽得到不同深度的瑞利散射信号，如图2、图3和图4所示。
图2为12m处的水体的瑞利散射信号，该图红圈所示，为水体本身所反射回的瑞利散射信号，图右为实验水体底部缸体所反射信号；图3为处放上物体后获得的物体表面反射的瑞利散射信号，通过比较图2、图3，可以观测到所接受的散射信号明显比水体本身的散射信号要明显，该信号是由物体表面所反射得到的瑞利散射信号。当物体表面反射系数高的时，得到更强烈的瑞利散射信号，此为常规海洋激光雷达采得的信号；当物体表面反射系数低时，得到更微弱的瑞利散射信号。
图4为11.4m处放上物体后获得的瑞利散射信号。在11.4m处放置物体，保持激光功率，数字延迟器的延时、门宽都不改变，由于采集系统依然只采集12m处的回波信号，所以无论是光斑还是亮点都消失了。我们可以确定物体在我们探测位置之前，通过折半扫描改变延时和门宽可快速判断物体的位置。

Claims (2)

1.瑞利散射海洋激光雷达系统的工作方法，其特征在于：并采用非同轴侧向成像光路对水体的散射信号进行直接成像来探测水体的瑞利散射回波信号，通过水体的瑞利散射信号的变化来判断水中是否存在物体；当探测到的水体的瑞利散射信号明显变弱时，说明探测水域存在物体；当探测到的瑞利散射信号无明显变化时，说明探测水域范围内不存在物体；通过改变成像系统的延迟和门宽判断物体的实际位置。
2.瑞利散射海洋激光雷达系统的装置，其特征在于：该装置包括脉冲激光器、发射透镜组、收集反射镜、望远镜系统、数字延迟器和ICCD；
脉冲激光器发射脉冲激光入射到凹透镜输出发散信号，发散信号经由球面镜反射得到会聚光束，会聚光束入射到探测水域，由探测水域反射回的瑞利散射回波信号通过成像大镜头采集，通过折半扫描的方法控制数字延迟器的延时、门宽快速得到不同深度的瑞利散射信号，得到的瑞利散射信号经过ICCD成像得到实时数据。
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